中國農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電潛力評估*

劉志彬，任愛勝，高春雨，付偉錚，陳 晨

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京 100081;2.華北電力大學經(jīng)濟管理系，保定 071003;3.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;4.中國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)貿(mào)易促進中心貿(mào)易促進處，北京 100026;5.裝甲兵工程學院院務部，北京 100072)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增長，全球對電力能源的需求日益增加。目前，以煤為主的火力發(fā)電在發(fā)電裝機總容量中仍占有較大比重，由此帶來的能源安全和溫室氣體排放等問題也日益引起國際社會的廣泛關注。預計全球能源需求量 (石油當量)將從2007年的人均1.8t增加到2030年的2.0t，二氧化碳排放量也將從2007年的人均4.4t上升到2030年的人均4.9t［1］。同時，世界各國紛紛宣布自己的減排目標:2009年中美兩國分別提出，到2020年溫室氣體排放量將在2005年的基礎上分別下降40%～45%和17%［2-3］。目前，中國火力發(fā)電在總裝機容量中占70%以上，能源結構不合理，發(fā)電效率低下，溫室氣體排放量大。而農(nóng)業(yè)生物質發(fā)電具有低污染、低排放和可再生性等優(yōu)點;同時，中國農(nóng)業(yè)生物質資源儲量豐富，發(fā)電技術相對成熟，但其占可再生能源發(fā)電的比例僅為0.5%，遠遠低于25%的國際平均水平［4］。因此，大力開發(fā)農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電等新能源發(fā)電形式是優(yōu)化能源結構、實現(xiàn)減排目標，從而保證能源安全的最有效途徑之一。

目前，國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)生物質發(fā)電的研究主要集中于發(fā)電現(xiàn)狀、發(fā)電成本、發(fā)電技術和政府支持政策等方面［5-12］，國內(nèi)針對農(nóng)業(yè)生物質發(fā)電潛力方面的研究很少，國外主要是針對某類或某個區(qū)域的農(nóng)業(yè)生物質發(fā)電潛力的研究［13-16］。截止2010年底，中國生物質發(fā)電總裝機容量已達5 500MW，國家也已于2012年7月出臺《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，確定到2015年，可再生能源發(fā)電在電力體系中上升為重要電源，生物質發(fā)電裝機容量達到1.3萬MW，其中農(nóng)林生物質發(fā)電8 000MW。由于農(nóng)業(yè)生物質資源分布廣泛，準確評估其資源儲量和發(fā)電潛力，對于實現(xiàn)可再生能源發(fā)展規(guī)劃和發(fā)電項目正常運營具有重要意義?；诖?，該文選取稻谷、小麥、玉米、棉花、甘蔗等9種主要農(nóng)作物秸稈及加工廢棄物為研究對象，以省為單位，按農(nóng)業(yè)生物質資源種類和區(qū)域分別評估其最大發(fā)電潛力和凈剩余資源發(fā)電潛力。

1 評估方法及參數(shù)確定

農(nóng)業(yè)生物質資源主要包括農(nóng)作物秸稈和農(nóng)業(yè)加工業(yè)廢棄物。文章選取稻谷、小麥、玉米、棉花、豆類、花生、油菜子、薯類、甘蔗9種主要農(nóng)作物秸稈及加工廢棄物為研究對象，測算其發(fā)電潛力。評估方法如下:

(1)計算農(nóng)業(yè)生物質資源的理論可收集量

TABP(j)—第j省主要農(nóng)業(yè)生物質資源的理論可收集量，萬t;

P(i，j)—第i種農(nóng)作物在第j省的經(jīng)濟產(chǎn)量，萬t;

R(i)—第i種農(nóng)作物的草谷比。

農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量，可以通過《中國統(tǒng)計年鑒》整理得到。9種主要農(nóng)作物秸稈形式及草谷比基于文獻整理［17］及作者的抽樣調(diào)查，如表1所示。

表1 主要農(nóng)作物秸稈形式及草谷比

(2)計算農(nóng)業(yè)生物質資源的實際可收集量

PABP(j)—第j省主要農(nóng)業(yè)生物質資源的實際可收集量，萬t;

F(i)—第i種農(nóng)作物的可收集利用率。

根據(jù)實地調(diào)查和相關數(shù)據(jù)信息進行估算，稻草的可收集利用率為0.78，麥秸的可收集利用率為0.76，玉米秸的可收集利用率為0.95，棉稈的可收集利用率為0.90，豆類秸稈的可收集利用率為0.88，油料作物秸稈的可收集利用率為0.85，薯類藤蔓的可收集利用率為0.80，糖料作物副產(chǎn)品的可收集利用率為0.88;稻殼的可收集利用率為0.95，玉米芯的可收集利用率為0.97，花生殼的可收集利用率為0.70［17-19］。

(3)計算農(nóng)業(yè)生物質資源的發(fā)熱量

NABE(j)—第j省主要農(nóng)業(yè)生物質資源的發(fā)熱量，MJ;

C(i)—第i種農(nóng)作物的低位發(fā)熱量，MJ/t。

發(fā)熱量 (又稱熱值)，是在一定溫度下，單位質量的燃料完全燃燒后，在冷卻至原有溫度時釋放的熱量，是衡量燃料品質的重要指標。高位發(fā)熱量是指1kg燃料完全燃燒所釋放的全部熱量，包括煙氣中水蒸氣凝結成水所釋放的汽化潛熱。從燃料的高位發(fā)熱量中扣除煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，稱為燃料的低位發(fā)熱量。因為低位發(fā)熱量最接近工業(yè)鍋爐燃燒時的實際發(fā)熱量，通常將其用于設計計算。主要農(nóng)作物秸稈的低位發(fā)熱量如表2所示［20-23］。

表2 要農(nóng)作物秸稈的低位發(fā)熱量 MJ/t

(4)計算農(nóng)業(yè)生物質資源的最大發(fā)電潛力

ABPPMax(j)—第j省主要農(nóng)業(yè)生物質資源的最大發(fā)電量，MW;

K—整體能量轉換效率;

T—年度持續(xù)運行時間，秒。

目前的研究中，K的保守估計值為20%，年度持續(xù)運行時間按全年計算［24-25］。

(5)計算農(nóng)業(yè)生物質資源凈剩余量的發(fā)電潛力

ABPPNS(j)—第j省主要農(nóng)業(yè)生物質資源凈剩余發(fā)電量，MW;

RNS—主要農(nóng)業(yè)生物質資源凈剩余比率。

中國農(nóng)業(yè)生物質資源豐富，但用途廣泛。從全國農(nóng)業(yè)生物質資源可收集利用總量中，扣除燃料、肥料、飼料、工業(yè)原料和食用菌基料之后，凈剩余農(nóng)業(yè)生物質資源量約占全國可收集利用量的17.87%［26］。

2 評估結果分析

2.1 中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源儲量

該文以中國31個省、自治區(qū)和直轄市 (不包括臺灣、香港和澳門)為研究區(qū)域，選取稻谷、小麥、玉米和棉花等9種主要農(nóng)作物為研究對象，以2011年《中國統(tǒng)計年鑒》中主要農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量為基礎，測算中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源的可收集量，如表3和表4所示。

2011年中國農(nóng)業(yè)生物質資源理論可收集總量為84 518.55萬t，實際可收集量為73 067.28萬t。玉米、稻谷和小麥是農(nóng)業(yè)生物質資源的主要來源，分別占資源可收集總量的36.48%、26.37%和14.65%，總計達到77.50%。中國農(nóng)業(yè)生物質資源主要分布在河南、黑龍江、山東、河北、吉林、安徽、新疆、四川、江蘇和湖南 10個省份，分別占實際可收集總量的 9.20%、9.16%、8.01%、5.81%、5.54%、5.19%、5.18%、5.08%、4.99%和4.76%，總計達到62.92%。通過以上分析，玉米、稻谷和小麥秸稈及加工廢棄物將成為生物質發(fā)電的主要原料來源，河南、黑龍江、山東、河北、吉林、安徽、新疆、四川、江蘇和湖南等省份將成為農(nóng)業(yè)生物質發(fā)電的重點發(fā)展地區(qū)。

2.2 中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電潛力

2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電潛力及主要省份分布，如表5所示。2011年，中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源的最大發(fā)電潛力為68 332.31MW，考慮農(nóng)業(yè)生物質資源用途的多樣性，從資源可收集總量中，扣除燃料、肥料、飼料、工業(yè)原料和食用菌基料以后，凈剩余農(nóng)業(yè)生物質資源的發(fā)電潛力為12 210.98MW。玉米、稻谷和小麥3種大宗農(nóng)作物秸稈的發(fā)電潛力較大，分別占凈剩余資源總發(fā)電潛力的37.94%、24.30%和15.27%，總計達到77.51%。

玉米秸和玉米芯發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的37.94%(其中玉米秸占31.69%，玉米芯占

6.25%)，主要集中在黑龍江、吉林、山東、河南和河北5省，占全國玉米秸和玉米芯總剩余資源發(fā)電潛力的53.57%。稻草和稻殼發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的24.30%(其中稻草占18.29%，稻殼占6.01%)，主要集中在湖南、黑龍江、江西、江蘇和湖北5省，占全國稻草和稻殼總剩余資源發(fā)電潛力的50.08%。麥秸發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的15.27%，主要集中在河南、山東、河北、安徽和江蘇5省，占全國麥秸總剩余資源發(fā)電潛力的74.47%。棉稈發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的8.10%，主要集中在新疆、山東、河北、湖北和河南5省區(qū)，占全國棉稈總剩余資源發(fā)電潛力的79.60%。豆秸發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的4.28%，主要集中在黑龍江、內(nèi)蒙古、云南、安徽和吉林5省區(qū)，占全國豆秸總剩余資源發(fā)電潛力的57.19%。油菜稈發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的4.01%，主要集中在湖北、四川、湖南、安徽和江蘇5省，占油菜稈總剩余資源發(fā)電潛力的62.94%。蔗渣發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的2.18%，主要集中在廣西、云南和廣東3省區(qū)，占蔗渣總剩余資源發(fā)電潛力的92.27%。薯蔓發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的1.73%，主要集中在四川、重慶、貴州、甘肅和內(nèi)蒙古5省區(qū)，占薯蔓總剩余資源發(fā)電潛力的42.70%?；ㄉ砗突ㄉ鷼ぐl(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的2.19%，主要集中在河南、山東、河北、遼寧和廣東5省，占花生秧和花生殼總剩余資源發(fā)電潛力的 68.84%。

表3 2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源可收集量 (按資源種類)萬t

表4 2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源可收集量 (按地區(qū))萬t

通過以上分析，農(nóng)業(yè)生物質資源的發(fā)電潛力主要來源于玉米、稻谷和小麥3種農(nóng)作物秸稈及加工剩余物。各類資源分布較為集中，除薯類作物外，其余8類農(nóng)作物一半以上的發(fā)電潛力都集中在資源占有量較多的5個省份。

表5 2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電潛力及分布 MW

2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源分省份發(fā)電潛力，如表6所示。凈剩余資源發(fā)電潛力在1 000MW以上的有河南、黑龍江和山東3個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的27.21%。凈剩余資源發(fā)電潛力在500～1 000MW的有河北、吉林、新疆、安徽、四川、江蘇、湖南、湖北和內(nèi)蒙古9個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的45.52%。凈剩余資源發(fā)電潛力在300～500MW的有遼寧、廣西、云南和江西4個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的12.86%。凈剩余資源發(fā)電潛力在100～300MW的有山西、陜西、廣東、甘肅、重慶、貴州和浙江7個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的11.72%。凈剩余資源發(fā)電潛力在100MW以下的有福建、寧夏、天津、海南、北京、青海、上海和西藏8個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的2.66%。

生物質發(fā)電雖然具有低污染、低排放的特點，但其投資成本和原材料收集、運輸成本較高。目前，大多數(shù)生物質發(fā)電企業(yè)處于虧損狀態(tài)，主要依靠國家政策支持維持運營。同時，依據(jù)《國家發(fā)展改革委關于生物質發(fā)電項目建設管理的通知》的要求，原則上生物質發(fā)電廠應布置在糧食主產(chǎn)區(qū)、秸稈豐富的地區(qū)，且每個縣或100km范圍內(nèi)不得重復布置生物質發(fā)電廠。因此，綜合考慮原材料成本和文件要求，生物質發(fā)電廠應主要布置在凈剩余資源發(fā)電潛力500MW以上的12個省份，但針對于甘蔗資源集中的廣西、云南和廣東3省可以布置蔗渣發(fā)電廠。

表6 2011年中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源省域發(fā)電潛力 MW

3 結論

該文基于中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源的可收集量，評估其最大發(fā)電潛力和凈剩余資源發(fā)電潛力。2011年，中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源的理論可收集量為84 518.55萬t，實際可收集量為73 067.28萬t，玉米、稻谷和小麥是最主要的農(nóng)業(yè)生物質資源作物，分別占資源可收集總量的36.48%、26.37%和14.65%。棉花、油菜子、豆類、甘蔗、薯類和花生6類農(nóng)作物秸稈僅占資源可收集總量的22.50%。河南、黑龍江、山東、河北、吉林、安徽、新疆、四川、江蘇和湖南10個省份的資源可收集量占實際可收集總量的 62.92%。

2011年，中國主要農(nóng)業(yè)生物質資源的最大發(fā)電潛力為68 332.31MW，凈剩余農(nóng)業(yè)生物質資源的發(fā)電潛力為12 210.98MW。玉米、稻谷和小麥3種大宗農(nóng)作物秸稈的發(fā)電潛力較大，分別占凈剩余資源總發(fā)電潛力的37.94%、24.30%和15.27%，棉花、油菜子、豆類、甘蔗、薯類和花生6類農(nóng)作物秸稈的發(fā)電潛力占凈剩余資源總發(fā)電潛力的22.49%。除薯類作物外，其余8類農(nóng)作物一半以上的凈剩余發(fā)電潛力都集中在資源占有量較多的5個省份。凈剩余資源發(fā)電潛力在1 000MW以上的有河南、黑龍江和山東3個省份，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的27.21%。凈剩余資源發(fā)電潛力在500～1 000MW的有河北、吉林、新疆、安徽、四川、江蘇、湖南、湖北和內(nèi)蒙古9個省區(qū)，占凈剩余資源總發(fā)電潛力的45.52%。其余有4個省份的凈剩余資源發(fā)電潛力在300～500MW，7個省份的凈剩余資源發(fā)電潛力在100～300MW，8個省份的凈剩余資源發(fā)電潛力在100MW以下。因此，玉米、稻谷和小麥3種農(nóng)作物秸稈應作為中國農(nóng)業(yè)生物質資源發(fā)電的主要原料來源，農(nóng)業(yè)生物質電廠應主要布置在凈剩余資源發(fā)電潛力在500MW以上的河南、黑龍江、山東、河北、吉林、新疆、安徽、四川、江蘇、湖南、湖北和內(nèi)蒙古等省區(qū)。

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